Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT HAI BÁNH
SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC

thiế t kế bộ điều khiển cân bằng Rô bốt hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC . Đề tài
minh chứ ng tí nh đú ng đắ n củ a hướ ng nghiên cứ u , khẳ ng đị nh độ tin cậ y củ a cá c kế t
quả nghiên cứu.
b. Ý nghĩa thực tiễn:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đề tài tập trung thiết kế một hệ thống giữ thăng bằng cho xe mô tô dựa trên
nguyên l làm việc của con quay hồi chuyển. Khi hệ thống được lắp đặt trên xe, nó
có chức năng giữ cho xe cân bằng trong mọi tình huống (đứng yên, chuyển động
hoặc chịu tác động của va đập). Để thực hiện được yêu cầu trên, hệ thống được
trang bị một bánh đà (fly-wheel) quay với tốc độ cao. Sử dụng cảm biến title sensor
để đo góc nghiêng của hệ so với phương thẳng đứng, căn cứ vào góc nghiêng s
điều khiển trục của hệ bánh đà (theo một thuật toán điều khiển, ví dụ thuật toán
PID) sao cho tạo ra lực cần thiết cân bằng cho hệ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Luận văn là sự kết hợp  tưởng về cách giữ thăng bằng của con người trên
đôi chân và độ cơ động trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh. Thông
qua nghiên cứu, ta có thể phần nào nắm bắt những  tưởng giữ thăng bằng cho các
loại humanoid robot (robot dạng người), cách phối hợp và xử l tín hiệu tốt nhất từ
cảm biến.
Mô hình là một chiếc xe có hai bánh được đặt dọc trục với nhau (khác với xe
đạp là trục của hai bánh xe song song). Trên mô hình sử dụng các cảm biến để đo
góc nghiêng của thân xe, vận tốc quay (lật) của sàn xe quanh trục bánh và vận tốc di
chuyển của xe so với mặt đất. Nhờ các cảm biến này, xe s có thể tự giữ thăng bằng
và di chuyển. Với cấu trúc này, trọng tâm của mô hình phải luôn nằm trong vùng đỡ
của bánh xe (supporting area) để có thể thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từ

(góc cân bằng khi ấy là zero).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1. 2 Mô tả cách di chuyển
Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, scooter s chạy tới trước và khi
nó được đẩy nghiêng ra sau, scooter s chạy lùi. Đây là một phân tích l tính. Hầu
hết mọi người đều có thể kiểm soát tay lái trong vòng vài giây để giữ lấy nó. Để
dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển thì tốc độ
xe giảm xuống. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người là khác
nhau, nên xe scooter hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho một người sử dụng.
1.1.2. Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng

Hình 1. 3 Mô tả trạng thái xe di chuyển trên địa hình phẳng
Những mobile robot xây dựng hầu hết robot là những robot di chuyển bằng
ba bánh xe, với hai bánh lái được lắp ráp đồng trục, và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều
kiểu khác nhau, nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe 4 bánh,
thường mộ tầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn một hoặc hai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

bánh lái.

Hình 1. 4 Mô tả trạng thái xe hai bánh di chuyển trên địa hình phẳng, dốc
Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/mobile robot được thăng bằng ổn
định nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi, hay bất
kỳ cái gì khác để đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh
lái thì xe/robot s không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai
bánh chính s mất khả năng bám. Nhiều thiết kế xe/robot có thể di chuyển tốt trên
địa hình phẳng, nhưng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm (mặt
phẳng nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe trên robot dồn vào đuôi xe

và không gây khó khăn khi dừng lại.
- Khá dễ để lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào do
tốc độ thấp. Ngoài ra, nó còn có thể xuống các bậc thềm/ bậc thang thấp.
- Chiếm ít diện tích (chỉ hơn một con người) nên nó không gây tắc nghn giao
thông như các loại xe bốn bánh. Như một phương tiện vận chuyển trên vỉa hè, nó
cho phép di chuyển trong nơi đông đúc, và hoàn toàn có thể đi trên lòng đường.
- Giá thành thấp hơn so với xe hơi.
- Cuốn hút người sử dụng cũng như mọi người xung quanh vì hình dáng kỳ lạ
của nó, phá vỡ các hình ảnh thường thấy về các phương tiện giao thông của con
người.
1.1.3.2. Nhƣợc điểm
- Không thể thư giãn và khá mệt khi lái do phải đứng trong khi điều khiển. Vì
đứng trên mặt sàn rung (do động cơ gây ra) và cứng làm chân mỏi. Do luôn giữ tư
thế thẳng đứng để trọng lượng cơ thể đặt ở trọng tâm và đôi lúc gặp những đoạn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đường xấu khiến cơ thể người điều khiển mệt mỏi.
- Không thể làm các việc khác khi đứng trên scooter này, chẳng hạn vừa đi
vừa nghe điện thoại, hoặc vừa uống nước.
- Scooter không đủ nhanh để đi đường trường và không đủ an toàn để lên.
- Không thể vận chuyển hai người trên cùng một xe. Việc này không thành
vấn đề khi xe tự cân bằng đóng vai trò một platform của mobile robot, vì khối lượng
tải là tĩnh.
- Không thể leo bậc thang có chiều cao quá bán kính bánh xe.
1.1.4. Tính ứng dụng của xe hai bánh tự cân bằng
Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có
thể di chuyển ngay trong các chung cư tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển
cho người già, và trẻ em vận chuyển. Làm phương tiện vận chuyển hàng hoá đến
những nơi đã được lập trình sẵn ở trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không
gian chật hẹp, khó xoay trở. Thậm chí kết hợp trên đường, robot lái mặt đường thì

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

sự phát động. Tổng cộng có ba bộ vi xử l Atmel được sử dụng. Vi điều khiển
chính (master) thi hành những nguyên l kiểm soát và thuật toán ước lượng. Một vi
điều khiển khác kiểm soát tất cả cảm biến analog. Vi điều khiển thứ ba điều khiển
động cơ DC.

Hình 1. 6 Xe Balance-bot I
Linear quadratic regulator (LQR) được thiết kế và thực thi mạch điều khiển.
Nó có bốn giá trị khác nhau – góc nghiêng, vận tốc góc nghiêng, góc quay bánh xe,
và vận tốc góc quay, sau đó nó tạo lệnh cho động cơ DC để điều chỉnh tốc độ bánh
xe.
1.2.3. Đại học sƣ phạm thành phố Hồ Chí Minh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1. 7 Phạm Ngọc Anh Tùng bên chiếc SCOSTER của mình
Phạm Ngọc Anh Tùng, tác giả của chiếc xe hai bánh, lấy  tưởng từ cách
giữ thăng bằng của con người trên đôi chân và độ cơ động trong di chuyển của các
loại xe di chuyển bằng bánh. Theo một cách nào đó, nếu các bánh xe được lái để
giữ cho trọng tâm của robot ở phía dưới, robot s giữ được cân bằng. Chiếc xe hai
bánh tự cân bằng chạy bằng điện nên hạn chế ô nhiễm ra môi trường, bộ điều khiển
tiết kiệm năng lượng, dễ lái, dễ kéo đẩy và không gây khó khăn khi dừng lại, khá dễ
khi lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào do tốc độ thấp.
Ngoài ra, nó còn có thể xuống các bậc thềm thấp.
1.2.4. Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên (Biclycle Robot)
Tác giả của chiếc xe này là du học sinh của Việt Nam tại THÁI LAN thực
hiện, đề tài thực hiện dựa trên nguyên l cân bằng của con quay hồi chuyển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.2.7. Cycling Robot
Đây là con robot do Masahiko Yamaguchi sáng tạo ra. Nó có thể tự giữ
thăng bằng khi cưỡi trên một chiếc xe đạp bằng chính đôi chân của mình và giữ
thăng bằng bằng cách sử dụng tay lái. Hệ thống robot 1 con robot và 1 chiếc xe đạp
của yamaguchi. Con quay hồi chuyển TAG 201 của Tamagawa Seiki được sử dụng
để phát hiện góc nghiêng của robot. Dựa trên các dữ liệu về độ nghiêng tác giả sử
dụng phương pháp điều khiển PID để điều khiển tay lái. Mạch điều khiển sử dụng
CPU SH7125 với tốc độ xử l cao và ổn định. Hoạt động của robot được điều khiển
từ xa. Bởi vì không có hệ thống phanh robot dừng lại bằng cánh đưa chân khác
xuống và đặt phẳng trên mặt đất.

Hình 1. 11 Cycling Robot

1.3. Nhu cầu thực tế
Hiện tại, trong điều kiện đường xá giao thông ngày càng chật hẹp, không khí
ngày càng ô nhiễm, việc nghiên cứu và chế tạo một mô hình xe điện gọn nhẹ, dễ
xoay xở, không sử dụng nhiên liệu đốt trong là một nhu cầu thực sự. Bên cạnh đó,
thiết kế một platform cho mobile robot cũng là một đề tài cần thiết trong lĩnh vực tự
động hóa ngày nay, nhằm trợ giúp cho trẻ em, người già, vận chuyển hàng hóa,
giám sát… trong cuộc sống hàng ngày vốn có nhiều nhu cầu trong việc đi lại và vận
chuyển tại các thành phố lớn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Về khía cạnh khoa học và công nghệ, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực
sự là một bước đệm quan trọng để có kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình và
chế tạo các robot hai chân (biped-robot, humanoid robot), là đỉnh cao về khoa học
và công nghệ mà các trường đại học trên toàn thế giới mong muốn vươn tới. Ngoài
ra, mô hình cũng s là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyển
của các mobile robot 3 bánh, 4 bánh cũng như mobile robot có chân, làm phong phú
những lựa chọn giải pháp để chuyển động trong không gian cho các robot.

bằng.
5. Xây dự ng mô hì nh hệ th ống Robot hai bánh tự cân bằng , lập trình điều
khiển.

1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1. Xây dựng mô hình lý thuyết
- Tiếp cận từ mô hình tương đương, mô hình con quay hồi chuyển, mô hình
con lắc ngược đến mô hình thật của đề tài.
- Mô phỏng mô hình bằng MATLAB.

1.5.2. Xây dựng mô hình thực
- Thiết kế mô hình.
- Tính toán công suất điện và điện tử (điều khiển bánh xe).
- Tính toán mạch cảm biến (góc, vị trí, vận tốc góc và vận tốc dài).
- Tính toán bộ điều khiển trung tâm.
- Lập trình vi điều khiển PIC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 2
LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG H
2
/H
∞

2.1 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
2.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID số
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo

l
.

dtt)(
+K
D
.
dt
tde )(

Trong đó:
e(t) - là tín hiệu đầu vào.
u(t) - là tín hiệu đầu ra.
Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
R
s
= K
p
(1+
I
Ts.
1
+T
D
.s)
2.1.2. Khâu P
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được
thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số K
P
– gọi là hằng số tỉ lệ.

Nếu giá trị khâu P quá lớn s làm cho hệ thống mất ổn định.

e(t)
K
p
u(t)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1.3. Khâu I
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính
tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị
đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
Khâu I được tính theo công thức:
I
out
= K
i
.

t
dtte
0
).(

Với: I
OUT
: giá trị ngõ ra khâu I
K
i

e(t)
K
i
u(t)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1.4. Khâu D
Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai
số thay đổi nhanh thì s tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều
này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh
chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo công thức:
D
out
= K
d
.
dt
de

Với: D
OUT:
ngõ ra khâu D
K
D
: hệ số vi phân
e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu D:


.

dtte )(
+ K
D
.
dt
tde )(

Sơ đồ khối:

Hình 2. 9 Sơ đồ 3 khâu PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đáp ứng của bộ PID:

Hình 2. 10 Đáp ứng của khâu P, PI và PID
2.1.6. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời
rạc ở một vài mức. Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể
đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Chúng ta s
quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu:
e(n) = X(n) – Y(n)
Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một
khoảng thời gian xác định (không liên tục) – thời gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu
cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống.
Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có
khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ
thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn.

+ T
d
dt
tde )(
]
Tính gần đúng theo công thức:


t
de
0
)(


T


n
k
ke
0
)(
dt
tde )(

T
nene )1()( 
t = nT
Với n là bước rời rạc tại t.
Kết quả thu được:

Trích đoạn LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN H2/H∞ Cảm biến Accelerometer ADXL Cảm biến đo vận tốc góc IGT Các phƣơng pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến Khối công suất điều khiển động cơ

---